KR20150118169A - Sealing apparatus for a fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
연료 전지 적층 조립체는 연료 전지 적층체를 포함하며, 각각의 연료 전지는 상기 적층체의 통기면에 배치되는 공급/배출 통기 구멍을 구비하는 공기 유동 도관을 갖고, 상기 통기 구멍은 상기 적층체의 상기 통기면에 걸쳐서 배열을 형성한다. 막은 상기 통기면이 가려져 있는 제1 구성과 상기 통기면이 가려져 있지 않은 제2 구성 사이에서 이동가능하다. 상기 막은 상기 제1 구성과 상기 제2 구성 사이에서 감김가능하다. 따라서, 상기 연료 전지 적층체의 통기는, 예를 들어 연료 전지 시동 및/또는 셧다운 절차 동안에 또는 연료 전지의 수화 제어 동안에 막의 위치에 의해서 제어된다.Wherein the fuel cell stacking assembly includes a fuel cell stack, each fuel cell having an air flow conduit having a supply / discharge vent hole disposed in the air flow side of the stack, An array is formed over the ventilation surface. The membrane is movable between a first configuration in which the ventilating surface is obscured and a second configuration in which the ventilating surface is not covered. The membrane is retractable between the first configuration and the second configuration. Thus, the aeration of the fuel cell stack is controlled by the position of the membrane during, for example, fuel cell start-up and / or shutdown procedures or during hydration control of the fuel cell.
Description
본 발명은 적층체 형태로 배치되는 전기화학 연료 전지에 관한 것이며, 좀 더 구체적으로는 이러한 연료 전지 적층체를 통기하기 위한 공기 유동 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical fuel cell disposed in the form of a laminate, and more particularly to an air flow system for venting such a fuel cell stack.
종래의 전기화학 연료 전지는, 일반적으로 둘 다 가스 스트림의 형태인 연료 및 산화제를 전기 에너지 및 반응 생성물로 전환한다. 수소 및 산소를 반응시키기 위한 통상적인 타입의 전기화학 연료 전지는 막-전극 조립체(MEA) 내에, 양자 교환 막(PEM)으로도 공지된 중합체성 이온 전달 막을 포함하며, 연료 및 공기는 이 막의 각각의 측면에 걸쳐 이동된다. 양자(즉, 수소 이온)는 막을 통해서 전도되고, 연료 전지의 양극 및 음극을 통해서 전도되는 전자에 의해서 균형된다(balanced). 이용가능한 전압을 높이기 위해서, 별개의 양극 및 음극 유체 유동 통로를 갖도록 배열되는 다수의 직렬 연결식 MEA를 포함하는 적층체가 형성된다. 이러한 적층체는 전형적으로 적층체의 어느 하나의 단부에서 단부 플레이트에 의해서 서로 유지되는 다수의 개별 연료 전지 플레이트를 포함한다.Conventional electrochemical fuel cells generally convert fuel and oxidant, both in the form of a gas stream, into electrical energy and reaction products. A typical type of electrochemical fuel cell for reacting hydrogen and oxygen comprises a polymeric ion transport membrane, also known as a proton exchange membrane (PEM), in a membrane-electrode assembly (MEA) Lt; / RTI > Both (i.e., hydrogen ions) are balanced through electrons conducted through the membrane and conducted through the anode and cathode of the fuel cell. To increase the available voltage, a laminate is formed that includes a plurality of series connected MEAs arranged to have separate anode and cathode fluid flow passages. These stacks typically comprise a plurality of individual fuel cell plates held together by end plates at either end of the stack.
연료 및 산화제의 반응은 전력뿐만 아니라 열을 생성하기 때문에, 연료 전지 적층체는 일단 작동 온도가 도달되면, 연료 전지에 대한 손상을 방지하기 위해서 냉각을 필요로 한다. 냉각은 연료 전지 적층체를 통해서 공기를 강제함으로써 달성될 수도 있다. 개방된 음극 적층체에 있어서, 산화제 유동 통로 및 냉각제 유동 통로는 동일하고, 즉 음극 유체 유동 통로를 통해서 공기를 강제하는 것은 음극에 산화제를 공급하고 적층체를 냉각하는 것이다. 더 낮은 전력의 적용에 있어서, 또는 낮은 수요의 시기에 있어서, 냉각 및 산화제 공급은 산화제/냉각제 유동 경로 안으로 공기를 확산시킴으로써, 즉 강제된 통기 없이 대안적으로 제공될 수도 있다. 다른 연료 전지 적층체에 있어서, 산화제 공기는, 예를 들어 냉각수 회로에 의해서 제공될 수도 있는 냉각 메커니즘으로부터 분리되어 제공될 수도 있다.Because the reaction of the fuel and the oxidant produces heat as well as power, the fuel cell stack requires cooling to prevent damage to the fuel cell once the operating temperature is reached. Cooling may be achieved by forcing air through the fuel cell stack. For an open cathode stack, the oxidant flow path and the coolant flow path are identical, i.e., forcing air through the cathode fluid flow path is to supply the oxidant to the cathode and cool the stack. In applications of lower power, or in periods of low demand, cooling and oxidant supply may be alternatively provided by diffusing air into the oxidant / coolant flow path, i.e., without forced venting. In other fuel cell stacks, the oxidant air may be provided separately from the cooling mechanism, which may be provided, for example, by a cooling water circuit.
본 발명은 이러한 연료 전지 적층체 타입에 적용가능하다.The present invention is applicable to this fuel cell stack type.
연료 전지 적층체의 시동 또는 셧다운 동안에, 또는 매우 차가운 주위 상태의 기간 동안에 음극 유체 유동 통로를 통한 공기 유동을 방지하거나 제한하는 것이 유용할 수 있다. 밸브 또는 셔터를 사용하여 음극 유체 유동 통로를 통한 공기 유동을 제어하기 위한 다양한 방법이 종래 기술에서 제안되었다. 본 발명의 목적은 간단하고 효율적인 대안적 접근법을 제공하는 것이다.It may be useful to prevent or limit air flow through the cathode fluid flow passages during start-up or shutdown of the fuel cell stack, or during periods of very cool ambient conditions. Various methods have been proposed in the prior art for controlling air flow through a cathode fluid flow passage using a valve or shutter. It is an object of the present invention to provide a simple and efficient alternative approach.
연료 전지에서 찾아지는 막, 촉매 물질 및 확산기 매체(diffuser media)는 외측 소스(soruce)로부터 쉽게 오염될 수 있으며, 이는 시간이 지남에 따라 연료 전지 적층체의 성능을 열화시킬 수 있다. 연료 전지의 민감한 부분의 노출을, 촉매를 열화시킬 수 있는 가스, 다른 공기 중 오염물질 및 입자로부터 제한하는 것이 바람직하다. 특히, 연료 전지 적층체를 운반할 때, 그리고 연료 전지 적층체 환경이 제어되지 않을 때(예를 들어, 전이적인 또는 임시적인 공기 중 오염원으로부터의 오염의 위험이 있을 때)와 같은 비-사용의 기간 동안에, 음극 유체 유동 통로로의 공기 유동 통로를 폐쇄하는 것이 바람직하다. 본 발명의 목적은 연료 전치 적층체의 민감한 부분의 오염에 대한 노출을 제한하는 간단하고 효율적인 방법을 제공하는 것이다.Membranes, catalytic materials, and diffuser media found in fuel cells can be easily contaminated from the outer source (question), which can degrade the performance of the fuel cell stack over time. It is desirable to limit the exposure of the sensitive portion of the fuel cell to gases, other airborne contaminants and particles that can degrade the catalyst. In particular, when transporting fuel cell stacks and when the fuel cell stack environment is not controlled (for example, when there is a risk of contamination from a transient or temporary air pollution source) During the period, it is desirable to close the air flow path to the cathode fluid flow path. It is an object of the present invention to provide a simple and efficient method of limiting exposure to contamination of sensitive parts of a fuel pneumatic stack.
일 양태에 따르면, 본 발명은 연료 전지 적층 조립체에 있어서,According to one aspect, the present invention provides a fuel cell stack assembly,
연료 전지 적층체로서, 각각의 연료 전지는 상기 적층체의 통기면 상에 배치된 공급/배출 통기 구멍을 구비하는 공기 유동 도관을 갖고, 상기 통기 구멍은 상기 적층체의 상기 통기면에 걸쳐서 배열을 형성하는, 상기 연료 전지 적층체;A fuel cell stack, wherein each fuel cell has an air flow conduit having a supply / discharge vent hole disposed on the vent face of the stack, the vent hole having an array over the vent face of the stack Said fuel cell stack being formed of a fuel cell stack;
상기 통기면이 가려지는 제1 구성과 상기 통기면이 가려지지 않은 제2 구성 사이에서 이동가능한 막을 포함하는, 연료 전지 적층 조립체를 제공한다.And a membrane that is movable between a first configuration in which the vent surface is obscured and a second configuration in which the vent surface is not obscured.
막은 제1 구성과 제2 구성 사이에서 감김가능할 수도 있다. 막은 상기 통기면 상에 배치되면 상기 통기면을 노출하도록 구성되는 적어도 하나의 구멍을 제공하는 제1 부분과, 상기 통기면 상에 배치되면 상기 통기면을 가리도록 구성되는 제2 부분을 포함할 수도 있다. 연료 전지 적층 조립체는, 상기 막이 상기 제1 구성에 있을 때, 상기 막의 제1 부분을 감겨진 상태로 수용하기 위한 제1 리셉터클을 더 포함할 수도 있다. 연료 전지 적층 조립체는, 상기 막이 상기 제2 구성에 있을 때, 상기 막의 제2 부분을 감겨진 상태로 수용하기 위한 제2 리셉터클을 더 포함할 수도 있다. 상기 제1 리셉터클은 상기 통기면의 외연 가장자리에 배치될 수도 있다. 제1 및 제2 리셉터클들은 상기 통기면의 대향하는 외연 가장자리에 배치될 수도 있다. 연료 전지 적층 조립체는 상기 제1 구성과 상기 제2 구성 사이에서 상기 막을 구동하도록 구성되는 모터를 더 포함할 수도 있다. 연료 전지 적층 조립체는 상기 통기면의 둘레를 따라서 배치되는 외연 시일을 더 포함할 수도 있으며, 상기 막은 적어도 상기 제1 구성에서 상기 외연 시일과 접촉되도록 위치된다. 상기 막은 상기 제1 구성으로의 이동 중에 상기 외연 시일의 적어도 부분과 미끄럼 접촉되도록 위치될 수도 있다. 제어기는 연료 전지 시동 및/또는 셧다운 절차의 부분으로서, 상기 제1 구성과 상기 제2 구성 사이에서 막을 작동시키도록 구성될 수도 있다. 상기 막은, 상기 연료 전지 적층체의 각각의 전지의 일부 공기 유동 도관이 가려지고, 상기 연료 전지 적층체의 각각의 전지의 다른 공기 유동 도관은 가려지지 않은 중간 구성으로 이동가능할 수도 있다. 상기 막은 상기 연료 전지 적층체 내의 제1 선택된 전지의 공기 유동 도관이 가려져 있고, 상기 연료 전지 적층체 내의 제2 선택된 전지의 공기 유동 도관은 가려져 있지 않은 구성으로 이동가능할 수도 있다. 제어기는 연료 전지의 수화 레벨에 따라서 막의 구성들 사이에서 막을 작동시키도록 구성될 수도 있다.The membrane may be retractable between the first configuration and the second configuration. The membrane may include a first portion providing at least one aperture configured to expose the aeration surface when disposed on the aeration surface and a second portion configured to cover the aeration surface when disposed on the aeration surface have. The fuel cell stack assembly may further include a first receptacle for receiving the first portion of the membrane in a rolled state when the membrane is in the first configuration. The fuel cell stack assembly may further include a second receptacle for receiving the second portion of the membrane in a rolled state when the membrane is in the second configuration. The first receptacle may be disposed at an outer edge of the ventilation surface. The first and second receptacles may be disposed at opposite outer edges of the ventilating surface. The fuel cell stack assembly may further include a motor configured to drive the membrane between the first configuration and the second configuration. The fuel cell stack assembly may further comprise an outer seal disposed along the periphery of the venting surface, the membrane being positioned to contact at least the outer seal in the first configuration. The membrane may be positioned to be in sliding contact with at least a portion of the outer seal during movement to the first configuration. The controller may be configured to operate the membrane between the first configuration and the second configuration as part of a fuel cell startup and / or shutdown procedure. The membrane may be movable to an intermediate configuration in which some air flow conduits of each of the cells of the fuel cell stack are obscured and other air flow conduits of each of the cells of the fuel cell stack are not obscured. The membrane may be movable in a configuration wherein the air flow conduit of the first selected cell in the fuel cell stack is obscured and the air flow conduit of the second selected cell in the fuel cell stack is unobstructed. The controller may be configured to operate the membrane between the membrane configurations according to the hydration level of the fuel cell.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 연료 전지 적층 조립체를 작동시키는 방법에 있어서,According to another aspect, the present invention provides a method of operating a fuel cell stack assembly,
연료 전지 적층체 상에 이동가능한 막을 장착하는 단계로서, 각각의 연료 전지는 상기 적층체의 통기면 상에 배치되는 공급/배출 통기 구멍을 구비하는 공기 유동 도관을 갖고, 통기 구멍은 상기 적층체의 상기 통기면에 걸쳐서 배열을 형성하는, 상기 이동가능한 막을 장착하는 단계;Mounting a movable membrane on a fuel cell stack, wherein each fuel cell has an air flow conduit having a supply / vent vent located on the vent face of the stack, Mounting the movable membrane to form an array over the ventilating surface;
상기 막을 상기 통기면이 가려져 있는 제1 구성과 상기 통기면이 가려져 있는 않은 제2 구성 사이에서 구동하는 단계를 포함하는, 연료 전지 적층 조립체를 작동시키는 방법을 제공한다.And driving the membrane between a first configuration in which the vent surface is obscured and a second configuration in which the vent surface is not obscured.
본 발명의 실시형태는 동반되는 도면을 참조하여 예시의 방법으로 설명될 것이다:
도 1은 통기면이 막에 의해서 가려진 상태의 연료 전지 적층체의 사시도를 도시하고;
도 2는 통기면이 막에 의해서 가려지지 않은 상태의 연료 전지 적층체의 사시도를 도시하고;
도 3은 탄성중합체 외연 시일을 갖는 통기면 프레임의 정면도를 도시하고;
도 4는 일 가장자리에 배치되는 막 리셉터클을 갖는 도 3의 통기면 프레임의 부분 사시도를 도시하고;
도 5는 도 4의 막 리셉터클의 확대된 부부의 사시도를 도시하고;
도 6은 도 1 내지 도 5의 시스템에서 사용되기 위한 풀려진 막의 사시도를 도시한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Embodiments of the invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings in which:
1 shows a perspective view of a fuel cell stack in a state in which a ventilation surface is covered by a membrane;
2 shows a perspective view of a fuel cell stack in a state in which a ventilation surface is not covered by a membrane;
3 shows a front view of a ventilating frame having an elastomeric outer seal;
Figure 4 shows a partial perspective view of the ventilation frame of Figure 3 with a membrane receptacle disposed at one edge;
Figure 5 shows a perspective view of an enlarged portion of the membrane receptacle of Figure 4;
Figure 6 shows a perspective view of the unwound membrane for use in the system of Figures 1-5.
본 명세 전체에 걸쳐서, "상측", "하측", "수평", "수직", "좌", "우", 상", "하", "전", "후" 뿐만 아니라, 이들의 형용사 및 부사 파생어와 같은 상대적 배향 및 위치와 관련된 기술어는 도 1 및 도 2에 제공된 연료 전지 적층체의 배향의 의미에서 사용된다. 그러나, 이러한 기술어는 설명되고 청구된 발명의 의도된 사용 또는 배향을 한정하는 방식으로 의도되지 않는다.Throughout this specification, the terms "upper," "lower," "horizontal," "vertical," "left," "right," "upper," "lower," " And adverbial derivatives are used in the context of orientations of the fuel cell stacks provided in Figures 1 and 2. However, such descriptors may not be construed as limiting the intended use or orientation of the claimed and claimed invention It is not intended in such a way.
도 1 및 도 2는 개별 연료 전지(16)의 적층체를 포함하는 연료 전지 적층체(1)를 도시하며, 이 개별 연료 전지는 도 2에서 가시적인 통기면(2)을 적층체의 전면에 집합적으로 제공한다. 예를 들어, 만약 적층체가 적층체를 통하는 강제 통기를 요구하는 구성의 것이라면, 대응하는 통기면이 적층체의 반대면에 존재할 수도 있다. 통기면(2)은 일반적으로 복수의 연료 전지(16)의 통기 구멍의 배열을 포함하고, 이 통기 구멍은 산화제 공기가 각각의 전지(16)의 음극 유체 유동 통로로 투입되고 그리고/또는 이 통로로부터 배출되도록 한다. 이것은 산화제가 각각의 전지(16)의 막-전극 어셈블리에 도달되도록 하고, 그리고/또는 습해진 공기가 MEA로부터 축출되도록 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 개별 전지(16) 각각은 수평면을 점유하고, 통기면(2)은 전지(16) 각각의 가장자리에 대응된다. 그러나, 대안적 배열체에 있어서, 개별 전지(16) 각각은 수직면을 점유할 수도 있다.Figures 1 and 2 illustrate a fuel cell stack 1 comprising a stack of
다양한 연료 전지 지원 시스템(3)이 연료 전지 적층의 면 상에 그리고 둘레에 배치될 수도 있다.A variety of fuel
통기면(2) 상에는 프레임(4)이 위치되고, 이 프레임은 하나 이상의 개구(5a, 5b, 5c)를 갖고, 공기의 통기면(2)에 대한 통과를 허여한다. 프레임(4)은 (도 1에서 가시적인) 가요성 막(6)에 대해서 하우징 및 가이드로서 기능하며, 이 막은 통기면(2)이 가려지는 제1 구성(도 1)과 통기면(2)이 가려지지 않는 제2 구성 사이에서 이동가능하다.A
한 쌍의 리셉터클(7, 8) 각각은 가용성 막(6)의 적어도 일부분을 수용하기 위한 (도 6에서 가시적인) 챔버(13)를 제공한다. 제1 리셉터클(7)의 챔버(13)는, 예를 들어 적층체 통기면(2)이 가려지지 않을 때, 막(6)의 가림부를 수용하도록 구성될 수 있고, 제2 리셉터클(8)의 챔버(13)는, 예를 들어 적층체 통기면(2)이 가려질 때 막(6)의 비-가림부를 수용하도록 성될 수 있다. 도시된 바와 같은 바람직한 실시형태에서, 리셉터클(7, 8)은, 비록 다른 형상도 가능하나, 원통형 하우징으로서 구성된다.Each of the pair of
도 3은 프레임(4)의 정면도를 도시하며, 이 프레임은 제1 및 제2 리셉터클들(7, 8), 구멍(5a, 5b, 5c) 및 연료 전지 적층체(1)의 전면에 프레임을 고정하기 위한 볼트 또는 다른 메커니즘을 위한 고정 지점(18)을 갖는다. 또한, 프레임(4)은 외연 시일(9)을 포함하고, 이 시일은 막(6)에 대한 유체 시일을 제공하기 위해서 프레임의 둘레를 따라서 연장된다. 추가적 시일(미도시)이 구멍(5a, 5b, 5c)을 나누는 기둥(10)에 제공될 수도 있다. 외연 시일의 일 예시는 프레임(4) 표면의 유지 채널 안의 홈에 부분적으로 배치되는 O-링 타입 시일이며, 이 O-링의 일부분은 프레임의 표면으로부터 돌출된 상태이다. 또한, 프레임(4)은, 연료 전지 적층체의 상측 및 하측에서 전형적으로 발견될 수 있는 집전판으로의 공기 유동을 허여하는 복수의 구멍(20) 또는 절결 슬롯(21)을 포함할 수도 있다. 3 shows a front view of the
도 4는 프레임(4), 제1 리셉터클(7), 구멍(5a, 5b, 5c) 및 프레임(4)의 전면(11)으로부터 약간 돌출되는 외연 시일(9)의 일부분의 개략도를 도시한다. 또한 구멍(5a, 5b, 5c) 및 이 구멍을 넘어 적어도 외연 시일(9)까지의 마진의 폭에 대략적으로 대응하는 프레임(4)의 폭에 걸쳐서 연장되는 슬롯(12)이 가시적이다. 슬롯(12)은 막(6)이 리셉터클(7) 안으로 그리고 외부로 이동되도록 하고, 이 막을 외연 시일(9)에 대해서 편평하게 유지한다. 대응하는 슬롯이 또한 프레임(4)의 상측 가장자리에서 찾아지며, 이 대응하는 슬롯은 막(6)이 유사한 방식으로 다른 리셉터클(8) 안으로 그리고 외부로 이동하는 것을 가능하게 한다.4 shows a schematic view of a part of the
도 5를 참조하면, 부분적으로 절결된 프레임(4)의 사시도는 막(6)을 수용하는 리셉터클(7)의 내측 챔버(13)를 보인다. 막(6)은 슬롯(12)에 의해서 챔버(13) 안으로 그리고 외부로 이동되며, 이 슬롯은, 막이 슬롯(12)을 통해서 구동될 때 막을 인장하고 제 위치에 유지하기에 충분하나, 슬롯 시일 사이에서 막의 미끄럼 통과를 방지하기에는 충분하기 않게, 슬롯을 통해서 이동되는 막(6)을 약하게 잡는 한 쌍의 대향하는 슬롯 시일(14, 15)을 포함할 수도 있다.5, a perspective view of the partially cut
바람직하게는, 슬롯 시일(14, 15)은 100 마이크론 두께의 캡톤 시트(Kapton sheet) 또는 50 마이크론 두께의 스테인레스 스틸 시트, 또는 임의의 다른 저가요성 재료를 포함하며, 적합한 윤활제로 코팅될 수도 있다. 외연 시일(9)(및 기둥(10)의 임의의 다른 시일)은 또한 적합한 윤활제로 코팅될 수도 있다. 바람직하게는, 사용되는 임의의 윤화제 또는 윤활성 코팅은 MEA와 같은 연료 전지의 화학적으로 민감한 구성요소를 오염시킬 수 있는 물질이 없다. 무-실리콘(silicone-free) 윤활제는 바람직할 수도 있다.Preferably, the
도 6은 프레임(4)과 함께 사용되기에 적합한, 감겨있지 않은 상태의 막(6)의 사시도를 도시한다. 막(6)은 구멍(5a, 5b, 5c)을 가로지르는 장벽 또는 구획벽을 제공함으로써 통기면을 가리기 위해 사용될 수 있는 시트 재료를 포함한다. 도 6에 도시된 특정 배열체에 있어서, 막(6)은 프레임(4)의 구멍(5a, 5b, 5c)에 치수 및 형상에 있어서 대략적으로 대응하는 구멍(62a, 62b, 62c)을 구비하는 제1 부분(61)을 갖는다. 막(6)의 제2 부분(63)은 적어도 프레임(4)의 구멍(5a, 5b, 5c)의 영역만큼 큰 영역에 걸쳐서 비파단되거나 연속적이며, 따라서 적절한 위치에 있을 때 프레임의 구멍(5a, 5b, 5c)을 완전히 가리거나 블록킹할 수 있다.Fig. 6 shows a perspective view of the
막은, 제1 및 제2 리셈터클들(7, 8) 안으로 수용될 때,바람직하게는 컴팩트한 롤로 감김가능하다(rollable).The membrane is rollable, preferably in a compact roll, when received into the first and
또한, 막(6)은, 도 3과 관련하여 설명된 프레임(4)의 구멍(20) 및 절결 슬롯(21)에 대응하는 복수의 별개의 구멍(22) 또는 절결 슬롯(23)을 포함할 수도 있다.The
정상 사용 시, 막의 부분들(61, 63) 중 어느 하나는 각각의 리셉터클(7 또는 8) 안으로 수용되는 한편, 다른 부분(61, 63)은 구멍(5a, 5b, 5c)을 규정하는 프레임(4)에 걸쳐서 연장된다. 따라서, '통기면 개방' 구성으로서 간주될 수도 있는 제1 구성에 있어서, 막(6)의 제1 부분(61)은 구멍(5a, 5b, 5c)을 규정하는 프레임(4)의 부분에 걸쳐서 놓이고, 막(6)의 제2 부분(63)은 상측 리셉터클(8) 내에 감겨진다. 따라서, '통기면 폐쇄' 구성으로서 간주될 수도 있는 제2 구성에 있어서, 막(6)의 제1 부분(61)은 하측 리셉터클(7) 내에 감겨지고, 막(6)의 제2 부분(63)은 구멍(5a, 5b, 5c)을 규정하는 프레임의 부분에 걸쳐서 놓여져 이 구멍을 가린다.In normal use, one of the portions 61, 63 of the membrane is received in each
리셉터클(7, 8) 각각은, 바람직하게는 챔버(13) 안으로 막을 당겨 챔버의 스핀들(spindle) 둘레로 막을 감도록 구성되는 모터 구동 배열체를 포함한다. 모터 구동 배열체는 각각의 챔버 내에 배치될 수도 있거나, 또는 각각의 리셉터클의 일 또는 양 축방향 단부에 위치될 수도 있다. 막의 각각 단부에, 즉 리셉터클(7, 8) 각각에 모터를 제공함으로써, 막은 적절한 모터 구동부의 당김 동작을 이용함으로써 이동 중에 인장되도록 유지될 수 있다. 이 당김 동작은 반대쪽 리셉터클에 인접한 대향하는 슬롯 시일(14, 15)을 통한 막의 이동에 의해서 가해지는 임의의 마찰에 대항할 수 있다.Each of the
이송 중 막(6)의 인장을 유지하는 대안적인 방법이 이용될 수도 있다. 예를 들어, 막의 각 단부에 있는 모터는 다른 모터와 반대로 작동하도록 구성되어, 막/프레임의 일 단부에서 구동 토크를, 그리고 다른 단부에서 제동 토크를 제공할 수도 있다. 바람직하게는, 브러시리스 모터가 연료 전지 적층체의 공기 유동 통로에 대한 오염의 위험을 최소화하기 위해서 사용된다. 다른 배열체에 있어서, 모터 구동 메커니즘은 리셉터클(7, 8) 중 하나에 제공될 수도 있고, 스프링 편향 복귀(spring bias return) 메커니즘이 다른 리셉터클(7, 8)에 제공될 수도 있다. 이와 같은 방식으로, 모터 구동 메커니즘은 스프링 편향에 대항하는 일 방향으로 막의 작동을 위한 구동력을 제공하고, 스프링 편향은 다른 방향으로 막의 작동을 위한 구동력을 제공한다.An alternative method of retaining the tension of the
막의 위치 결정은 많은 상이한 방식으로 제어될 수도 있다. 예를 들어, 막은 광학식 또는 기계식 또는 다른 센서에 의해서 읽히거나 계수될 수 있는 종방향으로 연장되는 일련의 천공(도면에 미도시)을 구비할 수도 있다. 상이한 형상의 천공이 상이한 위치를 위해서 부호화될 수도 있다. 대안적으로, 만약 서보-제어식 모터가 사용된다면, 막의 위치결정은 적합한 모터 제어기에 의해서 달성될 수도 있다.The positioning of the film may be controlled in many different ways. For example, the membrane may have a series of longitudinally extending apertures (not shown) that may be read or counted by optical or mechanical or other sensors. Perforations of different shapes may be encoded for different positions. Alternatively, if a servo-controlled motor is used, positioning of the film may be accomplished by a suitable motor controller.
전반적인 관점에서, 프레임(4)은 리셉터클(7, 8) 및 막(6)과 함께 연료 전지 적층체(1) 통기면(2)을 전부 가리거나 또는 부분적으로 가리기 위한 셔터 메커니즘 또는 가림 메커니즘을 규정한다. 가림 메커니즘은, 도 1 및 도 2에서 가시적인 전면측에 대한 반대측 상에서와 같이, 연료 전지 적층체(1)의 임의의 다른 통기면 상에 반복될 수 있다. 각각의 가림 메커니즘은 통기면(2)의 단지 부분에 대해서 커버를 제공할 수도 있고, 복수의 이러한 가림 메커니즘이 연료 전지 적층체의 일 통기면의 상이한 부분을 가리기 위해서 사용될 수도 있다.The
연료 전지 적층체의 대향하는 통기면 상에 가림 메커니즘이 제공되는 경우, 가림 메커니즘은 반대 방향으로 작동되도록 구성될 수도 있다. 하나의 가림 메커니즘은 상측 방향으로 막(6)을 감음으로써 통기면(2)을 폐쇄하도록 구성될 수 있는 한편, 다른 가림 메커니즘은 하측 방향으로 대향하는 통기면을 폐쇄하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 적층체에 있는 모든 전지(16)에 대한 공기 공급의 차단 또는 감소가 짧은 시간에 달성될 수 있다.When the shielding mechanism is provided on the opposite ventilation surface of the fuel cell stack, the shielding mechanism may be configured to operate in the opposite direction. One blocking mechanism may be configured to close the venting
많은 상이한 구성의 막이 사용될 수 있다. 제1 부분(61)은, 프레임(4)의 각각의 개구(5a, 5b, 5c)만큼 크거나, 또는 개구보다 약간 큰 구멍(62a, 62b, 62c)을 규정함으로써 개구(5a, 5b, 5c)를 완전히 개방하도록 구성될 수도 있다. 대안적으로, 제1 부분(61)은 더욱 제한적인 구멍을 규정함으로써, 개구(5a, 5b, 5c)를 적어도 부분적으로 개방하도록 구성될 수도 있다. 제2 부분(63)은 개구(5a, 5b, 5c)를 완전히 막도록 구성될 수도 있거나, 또는 개구(5a, 5b, 5c)에 걸쳐서 사이즈 또는 정도에 있어 제한되는 몇 개의 작은 구멍을 제공할 수도 있다. Many different configurations of membranes can be used. The first portion 61 defines
다른 배열체에 있어서, 막(6)은 제1 및 제2 부분(61, 63)뿐만 아니라 다른 부분을 포함할 수도 있다. 이러한 다른 부분은 완전히 개방되는 것과 완전해 폐쇄되는 것 사이에서 상이한 다양한 가림 정도를 제공하여, 통기면(2) 또는 면들이 부분적으로 가려질 수도 있다. 이것은, 예를 들어, 어떤 전지 또는 어떤 전지의 어떤 부분의 수화 레벨을 증가시키기 위한 목적으로, 일시적인 그리고/또는 국부적인 공기 유동의 감소를 제공하도록 공기 유동을 감소시키는 것이 바람직할 때 유용할 수 있다. 막(6)은, 예를 들어 제3 부분 및 제4 부분을 구비할 수도 있으며, 제3 부분은 적층체의 전체에 걸친 수의 전지 중 제1 서브세트만을 가리고, 제4 부분은 적층체의 전체에 걸친 수의 전지 중 제2 서브세트만을 가린다. 제1 및 제2 서브세트는 상호 배타적일 수도 있다. 이 방식으로, 적층체의 전지는 그룹으로 선택적으로 재수화될 수도 있다. 제어 메커니즘은 적층체 내의 전지의 수화 레벨을 모니터링하기 위해서, 그리고/또는 적층체의 전지 전압을 모니터링하기 위해서, 그리고 막의 위치결정을 제어하여 체계적인 재수화를 실시하기 위하여 제공될 수도 있다.In another arrangement, the
막(6)이 전지(16)의 평면에 평행한 방향으로 이동하는, 위에서 언급된 다른 배열체에 있어서, 각각의 전지(16)의 통기 구멍의 단지 일부만이 가려지는 것이 가능하다. 이 방식으로, 예를 들어 감소된 전력 출력을 위해서 적층체 각각의 전지의 부분적 가림이 동시적으로 가능하다. 일반적으로, 막은, 각각의 셀에서 일부 공기 유동 도관이 가려지고, 다른 공기 유동 도관은 가려지지 않는 중간 구성으로 이동가능할 수도 있다. It is possible that only a part of the ventilation holes of each
바람직하게는, 막(6)의 구멍(예를 들어, 62a, 62b, 62c)은, 막의 선단 및 후단 가장자리가 슬롯(12)을 통해서 또는 시일(9, 14, 15)을 통해서 또는 넘어서 이동될 때, 걸려 찢어지는 위험을 감소시키도록 둥근 또는 경사진 코너를 갖는다.Preferably, the apertures (e.g., 62a, 62b, 62c) of the
막(6)은 임의의 적합한 가요성 재료로 형성될 수도 있다. 바람직하게는, 막은 챔버 안으로 감겨질 수 있다. 바람직하게는, 막은 리셉터클(7, 8)과 같은 리셉터클 내 하나 이상의 캡스턴(capstan) 둘레에 감길 수 있다. 바람직한 재료는 매우 얇은 시트 상태로도 매우 낮은 산소 및 이산화탄소 투과상을 제공하는 캡톤이다. 막을 위한 다른 가능한 재료는 스테인레스 스틸 시트 또는 필름, 또는 다른 금속 시트 또는 필름이다. 바람직하게는, 사용되는 막(6)은 연료 전지의 민감한 부분에 화학적으로 손상을 줄 수도 있는 화합물의 진입에 대한 높은 정도의 보호를 제공할 수 있는 것이다. 용이하게 공기 중에 부유되는 이러한 화합물은 황화수소를 포함한다.The
프레임(4)은 막(6)이 연료 전지 적층체(1)의 통기면(2)에 가능한 밀착되게 유지되도록 구성되어, 예를 들어 폐쇄되었을 때의 막과 통기면을 구성하는 개별 전지의 많은 통기 구멍 사이에 허용되는, 제한된 공기 순환이 있다. 이를 달성하기 위해서, 막(6)은, 예를 들어 프레임의 채널 또는 홈 내에 있는 프레임의 내측면 상의, 또는 적층체 통기면에 가장 가까운 후면 상의 시일(9)과 접촉될 수도 있다. 막(6)의 가장자리는 따라서 채널 또는 홈에서 이동될 수 있도록 구성될 수도 있어, 막의 전면 및 후면이 프레임(4)의 외연 시일과 미끄럼 접촉된다.The
막(6)을 구동하기 위해 사용되는 모터는 전기 모터, 공기 모터 또는 유압식 모터 또는 임의의 다른 적합한 구동 메커니즘일 수도 있다.The motor used to drive the
여기서 설명되는 바와 같은 막 가림 메커니즘의 다양하고 많은 이점이 있다. 막 가림 메커니즘은, 적층체를 강제로 통기하는 것일 수도 있는 팬의 회전 감소(spin-down)을 기다려야만 하거나, 또는 팬 비용을 추가하는, 이러한 팬에 대한 능동적 제동 시스템을 제공해야하는 것 보다는, 연료 전지 적층체를 통한 공기 유동의 매우 신속한 차단을 가능하게 한다. 적층체를 통한 공기 유동의 신속한 차단은 셧다운(shut-down) 프로세스 동안 전지의 과도한 탈수를 방지할 수 있고, 산화제 공급의 손실을 통한 전류 출력의 빠른 감소를 강제할 수 있다. 과도한 수분 손실 없는 빠른 셧다운은, 연료 전지 MEA가 수화된 상태로 남아있어, 연료 전지 적층체의 더욱 빠르고 더욱 효율적인 재작동을 제공할 수 있다. 여기서 설명되는 것과 같은 시스템은 사이즈에 따라서, 적합한 모터 구동 장치 및 막 타입으로 0.1 내지 0.5 초 내에 신속하게 연료 전지 적층체의 통기면을 폐쇄하도록 작동될 것으로 예상된다. 그러나, 더 빠른 또는 더 느린 시간을 달성하는 것이 가능할 수도 있다. 가림 메커니즘은 또한 적층체 수화를 더 제어하도록 적층체에 맥동하는 공기를 제공하도록 기능할 수도 있다.There are many and many advantages of the film occlusion mechanism as described herein. The film-clogging mechanism may require more time to wait for a spin-down of the fan, which may be forced to vent the stack, or to provide an active braking system for such a fan, Allowing very rapid interruption of air flow through the battery stack. Rapid interruption of air flow through the stack can prevent excessive dehydration of the battery during the shut-down process and force a rapid reduction of the current output through loss of the oxidant supply. Rapid shutdown without excessive water loss allows the fuel cell MEA to remain hydrated to provide faster and more efficient re-operation of the fuel cell stack. The system as described herein is expected to operate to close the ventilating surface of the fuel cell stack rapidly within 0.1 to 0.5 seconds with the appropriate motor drive apparatus and membrane type, depending on the size. However, it may be possible to achieve faster or slower times. The closure mechanism may also serve to provide air pulsating the laminate to further control laminate hydration.
다른 실시형태는 동반되는 청구항의 범위 내에 있도록 의도된다.Other embodiments are intended to be within the scope of the accompanying claims.
Claims (15)
연료 전지 적층체로서, 각각의 연료 전지는 상기 적층체의 통기면에 배치되는 공급/배출 통기 구멍을 구비하는 공기 유동 도관을 갖고, 상기 통기 구멍은 상기 적층체의 상기 통기면에 걸쳐서 배열을 형성하는, 상기 연료 전지 적층체;
상기 통기면이 가려지는 제1 구성과 상기 통기면이 가려지지 않는 제2 구성 사이에서 이동가능한 멤브레인을 포함하는, 연료 전지 적층 조립체.
In a fuel cell stack assembly,
A fuel cell stack, wherein each fuel cell has an air flow conduit having a supply / discharge vent hole disposed in the vent face of the stack, the vent hole forming an array over the vent face of the stack The fuel cell laminate;
And a membrane that is movable between a first configuration in which the aeration surface is obscured and a second configuration in which the aeration surface is not obscured.
The fuel cell stack assembly of claim 1, wherein the membrane is rollable between the first configuration and the second configuration.
The method of claim 1, wherein the membrane comprises a first portion providing at least one aperture configured to expose the aeration surface when disposed over the aeration surface, and a second portion configured to cover the aeration surface when disposed over the aeration surface, Fuel cell stack assembly.
3. The fuel cell stack assembly of claim 2, further comprising a first receptacle for receiving the first portion of the membrane in a rolled state when the membrane is in the first configuration.
5. The fuel cell stack assembly of claim 4, further comprising a second receptacle for receiving the second portion of the membrane in a rolled state when the membrane is in the second configuration.
5. The fuel cell stack assembly of claim 4, wherein the first receptacle is disposed at an outer edge of the ventilating surface.
6. The fuel cell stack assembly of claim 5, wherein the first receptacle and the second receptacle are disposed at opposite outer edges of the ventilating surface.
The fuel cell stack assembly of claim 1, further comprising a motor configured to drive a membrane between the first configuration and the second configuration.
2. The fuel cell stack assembly of claim 1, further comprising an outer seal disposed along a circumference of the ventilating surface, the membrane being positioned to contact at least the outer seal in the first configuration.
10. The fuel cell stack assembly of claim 9, wherein the membrane is positioned to be in sliding contact with at least a portion of the outer seal during movement to the first configuration.
7. The fuel cell stack assembly of claim 1, further comprising a controller configured to act as a membrane between the first configuration and the second configuration, as part of a fuel cell startup and / or shutdown procedure.
2. The fuel cell stack of claim 1, wherein the membrane is movable in an intermediate configuration in which a portion of the air flow conduits of each of the cells of the fuel cell stack is obscured, and the other air flow conduits of each of the cells of the fuel cell stack are non- Fuel cell stack assembly.
2. The fuel cell stack of claim 1, wherein the membrane is configured such that the air flow conduit of the first selected cell in the fuel cell stack is obscured and the air flow conduit of the second selected cell in the fuel cell stack is movable in a non- Battery stacking assembly.
13. The fuel cell stack assembly of claim 12, further comprising a controller configured to operate the membrane between the membrane configurations according to the hydration level and / or the cell voltage level of the fuel cell.
연료 전지의 적층체 상에 이동가능한 막을 장착하는 단계로서, 각각의 연료 전지는 상기 적층체의 통기면 상에 배치되는 공급/배출 통기 구멍을 구비하는 공기 유동 도관을 갖고, 상기 통기 구멍은 상기 적층체의 상기 통기면에 걸쳐서 배열을 형성하는, 상기 이동가능한 막을 장착하는 단계;
상기 통기면이 가려져 있는 제1 구성과 상기 통기면이 가려져 있지 않은 제2 구성 사이에서 상기 막을 구동하는 단계를 포함하는, 방법.A method of operating a fuel cell stack assembly,
Mounting a movable membrane on a stack of fuel cells, each fuel cell having an air flow conduit having a feed / vent vent located on the vent face of the stack, Mounting the movable membrane to form an array over the ventilating surface of the sieve;
And driving the membrane between a first configuration in which the vent surface is obscured and a second configuration in which the vent surface is not obscured.
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